Batteries à Cycle Profond

Les panneaux solaires photovoltaïques produisent de l’électricité chaque fois que le soleil brille sur eux. Les systèmes PV autonomes (hors réseau) et les systèmes connectés au réseau avec batterie de secours nécessitent une seule batterie ou un groupe de Batteries à Cycle Profond, appelées « banque de batteries », câblées ensemble pour stocker l’énergie solaire générée.

Les photovoltaïques chargent ces batteries à cycle profond pendant les heures de jour, afin que vous puissiez disposer d’électricité la nuit ou pendant les jours nuageux. Les batteries de stockage représentent un élément essentiel de toute installation d’énergie alternative autonome ou raccordée au réseau, et elles peuvent également déterminer la tension de fonctionnement en courant continu (DC) de l’ensemble du système solaire photovoltaïque.

Les Batteries à Cycle Profond se composent d’une collection d’individuelles cellules de 2 volts qui stockent l’énergie électrique produite par les panneaux photovoltaïques qui n’est pas immédiatement consommée par la charge. Les cellules de batterie permettent à cette énergie électrique d’être convertie en énergie chimique, stockée à l’intérieur de la cellule, qui est ensuite reconvertie en énergie électrique selon les besoins.

Une batterie se compose d’une ou plusieurs de ces cellules, électriquement connectées ensemble en série ou en parallèle, ou les deux, selon la tension et l’intensité requises. Ainsi, nous pouvons définir une batterie pour une utilisation dans un système solaire comme une collection de cellules qui stockent l’énergie électrique sous forme de réactions chimiques.

Dans le monde des batteries, les Batteries à Cycle Profond sont classées comme des « batteries secondaires » car elles peuvent être continuellement chargées et déchargées, produisant ce qu’on appelle le cycle de charge des batteries.

Les batteries à cycle profond sont appelées batteries secondaires parce que la réaction chimique qui produit et stocke l’énergie électrique sur ses plaques de plomb est entièrement réversible, contrairement aux « batteries primaires standards » qui ne peuvent être utilisées qu’une seule fois et jetées une fois complètement déchargées.

En d’autres termes, les batteries primaires telles que celles utilisées dans les télécommandes ou les appareils photo ne peuvent être déchargées qu’une fois et sont ensuite jetées, polluant ainsi l’environnement, tandis que les batteries secondaires appelées « rechargeables » comme les batteries NiCad ou Lithium-Ion utilisées dans les ordinateurs portables, etc., peuvent être déchargées et rechargées de nombreuses fois et sont donc beaucoup plus respectueuses de l’environnement.

Dans ce tutoriel sur les « batteries à cycle profond », nous nous intéressons principalement aux véritables batteries à cycle profond qui sont des dispositifs de stockage idéaux pour les systèmes d’énergie solaire et peuvent être caractérisées (en plus de leur capacité de recharge) par une densité de puissance élevée, un taux de décharge élevé, des courbes de décharge plates et une bonne performance à basse température.

Cependant, toutes les batteries secondaires ne se valent pas. Il existe de nombreux types de batteries disponibles, chacune conçue pour des applications spécifiques. Bien qu’elles soient similaires aux batteries de voiture ordinaires, les batteries à cycle profond utilisées dans les systèmes d’énergie solaire sont spécialement conçues pour les cycles quotidiens de charge et de décharge qu’elles doivent subir. Le type de batterie secondaire le plus couramment utilisé dans les applications photovoltaïques solaires est généralement des « batteries plomb-acide » sans entretien. Ce type de batterie rechargeable est l’un des types les plus rentables et facilement disponibles pour l’utilisation dans un système de stockage d’énergie domestique.

Les batteries plomb-acide sont l’une des technologies de batteries les plus anciennes et les plus courantes, composées de trois parties de base : un électrode négatif, un électrode positif, et un électrolyte. L’électrode négative noir est faite de plomb (Pb), tandis que l’électrode positive rouge est composée de dioxyde de plomb (PbO₂). Un isolant ou séparateur est utilisé pour isoler électriquement les deux électrodes. L’électrolyte utilisé pour provoquer la réaction chimique entre les deux électrodes est de l’acide sulfurique dilué (H₂SO₄), qui est un liquide acide fournissant les ions sulfate pour les réactions de décharge.

Les batteries plomb-acide humides sont généralement les moins coûteuses, mais nécessitent parfois l’ajout d’eau distillée (H₂O) pour reconstituer l’eau perdue par évaporation lors du processus normal de charge. Essentiellement, l’électrode négative libère des électrons vers une charge externe, et l’électrode positive accepte des électrons de la charge. L’électrolyte, qui est typiquement un liquide dans les batteries solaires à cycle profond, fournit le chemin pour le transfert de charge entre les deux électrodes, comme montré.

Cellule de Batterie Solaire à Cycle Profond

Un diagramme fonctionnel de base d’une cellule plomb-acide typique est présenté à droite. Une plaque de plomb solide sert d’électrode négative, et une plaque de dioxyde de plomb sert d’électrode positive. Les deux électrodes sont immergées dans une solution d’acide sulfurique appelée « électrolyte ».

Le résultat est qu’une différence de potentiel, plus souvent appelée tension, se développe entre les électrodes et c’est cette tension qui est utilisée pour transmettre le courant à une charge externe.

Le courant maximal délivrable par la batterie plomb-acide dépend de la masse et du volume de la cellule. Dans une batterie plomb-acide composée de cellules plomb-acide connectées en série (négatif à positif), la tension terminale globale dépend du nombre de cellules connectées ensemble dans la batterie.

Paramètres de la Batterie à Cycle Profond

Les paramètres courants associés aux batteries plomb-acide à cycle profond comprennent :

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  Tension – La tension est la pression électrique. Une batterie de voiture standard est de 12 volts. Cette tension est l’addition des six (6) petites cellules plomb-acide connectées en série qui composent une batterie de 12 V. Chaque cellule de plomb-acide individuelle a une tension d’environ 2 volts. Les banques de batteries utilisées pour les systèmes d’énergie alternative sont généralement connectées ensemble en série pour produire des tensions DC de 12, 24, 36 ou 48 volts.
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  Courant – Le courant est le flux d’électrons. Le taux de ce flux par unité de temps est appelé ampère. Le courant électrique se présente sous deux formes : courant continu (DC) et courant alternatif (AC). Les batteries stockent l’énergie sous forme de courant continu (DC), qui est utilisé pour l’éclairage ou pour alimenter l’inverseur qui le transforme en courant alternatif. Le courant maximal délivrable par les batteries à cycle profond est le courant le plus élevé qu’une batterie peut fournir à une charge sans voir sa tension terminale chuter de manière significative en raison de la résistance interne de la batterie, et sans provoquer de surchauffe. Les batteries à cycle profond sont connectées ensemble en parallèle pour augmenter le courant de sortie disponible.
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  Capacité – La capacité de la batterie est la quantité d’énergie qu’une batterie contient et est généralement mesurée en ampères-heures (Ah) à une tension donnée. Par exemple, une batterie avec une capacité de 1 000 ampères-heures peut délivrer 100 ampères pendant 10 heures, ou 10 ampères pendant 100 heures, ou 1 ampère pendant 1 000 heures, et ainsi de suite. Pour déterminer la quantité totale d’énergie qu’une batterie à cycle profond peut délivrer, multipliez les ampères-heures (Ah) par la tension terminale. La capacité de stockage d’une batterie de voiture moyenne est d’environ 40 à 85 ampères-heures.

Les batteries solaires à cycle profond utilisées pour des installations d’énergie alternative ont une capacité variant de 200 à 2 500 ampères-heures. La capacité spécifiée d’une batterie est déterminée par la quantité d’énergie nécessaire et le temps pendant lequel la batterie doit fournir cette énergie. Plus l’énergie électrique consommée est importante, plus la batterie doit être grande et donc plus la source d’énergie solaire doit l’être pour recharger la batterie plus grande.

L’état de charge d’une batterie est une valeur en pourcentage qui indique la quantité d’énergie électrique restante dans la batterie. Par exemple, une batterie de 1 000 ampères-heures à 90 % d’état de charge contiendra 900 ampères-heures d’énergie. À 50 % d’état de charge, elle contiendra 500 ampères-heures d’énergie, et ainsi de suite. Une batterie qui n’a que 20 % ou moins d’état de charge est considérée comme complètement déchargée ou est peut-être défectueuse.

Véritables Batteries à Cycle Profond pour Applications Solaires

Les batteries plomb-acide sont les seules batteries adaptées aux systèmes d’énergie alternative, mais le cycle continu de décharge d’une batterie dans une charge (pendant les heures de nuit) et de recharge de la batterie (pendant les heures d’ensoleillement) nécessite un type de batterie différent, car toutes les batteries plomb-acide ne se valent pas. L’exigence la plus importante pour une batterie est de savoir si elle est une Batterie à Cycle Profond ou une Batterie à Cycle Superficiel.

Considérons les batteries de démarrage automobiles. Les batteries de véhicule sont peu coûteuses à acheter mais sont conçues pour fournir des courants élevés pendant de très courtes périodes (moins de 10 secondes) pour faire fonctionner le moteur de démarrage et démarrer le moteur. Elles sont communément appelées « ampères de démarrage ».

Une fois que la voiture a démarré, la batterie est alors rechargeée par l’alternateur de la voiture. Même par des matins froids et gelés, la batterie de la voiture ne se déchargera qu’à environ 90 % de sa capacité totale au démarrage. Ainsi, les batteries automobiles sont conçues pour des cycles très superficiels entre 100 % et 90 % d’état de charge.

Comme une batterie de voiture est conçue pour délivrer de forts courants pendant de très courtes périodes, elle est donc composée de nombreuses plaques de plomb fines, fournissant une grande surface pour que la réaction chimique se produise.

Ces plaques de plomb fines n’ont pas la résistance mécanique nécessaire pour des cycles répétés sur une longue période, et s’usent très rapidement après seulement 200 à 400 cycles. Ainsi, bien que les batteries de voiture fonctionnent, elles ne sont pas conçues pour un système d’énergie solaire à long terme qui nécessite un service de cycle beaucoup plus profond.

Les Batteries à Cycle Profond, en revanche, sont conçues pour être chargées et déchargées de manière répétée jusqu’à 80 % de leur capacité totale (de 100 % à 20 % d’état de charge) sans subir de dommages sérieux aux cellules avant de se recharger, les rendant idéales pour les systèmes photovoltaïques solaires ainsi que pour les applications marines, les buggys de golf, les chariots élévateurs et tout autre type de véhicule électrique. Bien que les batteries à cycle profond utilisent les mêmes réactions chimiques pour stocker de l’énergie que leurs cousines de batterie automobile, elles sont conçues très différemment.

La taille physique d’une batterie à cycle profond est beaucoup plus grande qu’une batterie de voiture ordinaire en raison de la construction et de la taille des plaques plomb (électrodes). Ces plaques sont faites de plomb solide généralement dopé avec de l’antimoine (Sb) et sont plusieurs fois plus épaisses que les plaques en type éponge plus fines d’une batterie automobile. Cela signifie que les batteries à cycle profond peuvent être déchargées presque complètement jusqu’à une très basse charge, et il n’est pas rare qu’elles soient vidées (déchargées) jusqu’à 20 % de leur capacité totale avant que l’énergie cesse de s’écouler de la batterie.

Les batteries à cycle profond sont spécifiquement conçues pour stocker l’énergie générée par des systèmes photovoltaïques (PV) et ensuite décharger cette énergie stockée pour une utilisation de manière cohérente, au quotidien. L’une des principales exigences pour les batteries à cycle profond pour les applications solaires est une durée de vie cyclique maximale, c’est-à-dire combien de fois la batterie peut être chargée, puis déchargée ou cyclée en profondeur.

Les batteries à cycle profond utilisées dans des applications d’énergie alternative devraient durer plus de cinq ans, et dans de nombreux cas, plus de dix ans, mais elles doivent être cyclées correctement. Même si ces batteries sont conçues pour résister à des cycles profonds, elles auront une durée de vie plus longue si les cycles sont moins profonds, par exemple de 100 % à 50 % d’état de charge par rapport à un état de charge de 100 % à 20 %.

Charge des Batteries à Cycle Profond

Les batteries à cycle profond peuvent être rechargées de diverses manières. La méthode la plus courante est d’utiliser un appareil de charge externe connecté à une source d’électricité, comme une prise murale. Dans un système d’énergie alternative, les batteries sont chargées par des panneaux solaires via un contrôleur de charge de batterie qui garantit que la puissance maximale des panneaux solaires ou de l’ensemble est dirigée vers la recharge des batteries sans les surcharger.

Une batterie plomb-acide à cycle profond peut généralement être chargée à n’importe quel taux qui ne produit pas de gaz excessif, de surcharge ou de températures élevées. La batterie absorbe un courant très élevé lors de la première partie de la charge lorsque son état de charge est à son niveau le plus bas, mais il existe une limite au courant sûr à mesure que la batterie devient entièrement chargée.

Condition de Charge d’une Batterie de 12 Volts

Si une batterie plomb-acide à cycle profond est connectée à une charge pendant longtemps sans maintenir sa charge, la batterie décharge progressivement sa puissance dans la charge. À mesure que le courant diminue progressivement, les électrodes deviennent recouvertes de contaminants à mesure que la densité spécifique de l’électrolyte change.

Cette contamination à l’intérieur d’une batterie plomb-acide, résulte directement d’une accumulation de cristaux de sulfate de plomb appelée « Sulfatation ». Finalement, toute l’énergie chimique contenue dans l’électrolyte est convertie en énergie électrique.

À un certain moment, le traitement de la batterie s’arrête car la batterie ne peut plus fournir d’énergie à une charge. Le courant tombe à zéro, et une différence de potentiel n’existe plus entre les électrodes dans les cellules.

La quantité d’énergie qu’une batterie cellulaire plomb-acide peut fournir dépend de l’électrolyte (densité spécifique et pureté) et de la qualité de l’électrode de plomb négative et de l’électrode de dioxyde de plomb positive.

Avec le temps, la sulfatation interfère avec la capacité de la batterie à accepter, stocker et délivrer une charge, et si elle n’est pas contrôlée, la qualité des composants de la batterie se dégrade, et la performance de la batterie diminue, rendant la batterie inutilisable bien avant la fin de sa durée de vie prévue. Le moyen le plus rapide de détruire n’importe quelle batterie plomb-acide est de la laisser se décharger complètement et de la laisser non chargée sans interruption pendant une longue période. En raison des interactions chimiques à l’intérieur d’une batterie plomb-acide, elle doit être utilisée régulièrement ou la sulfatation des plaques se produira.

Cependant, si un courant est entraîné à travers la batterie en connectant une source d’alimentation externe (cela s’appelle couramment la recharge, et est simplement l’inverse de quand la batterie délivre son pouvoir à une charge, et dans ce cas, la batterie est maintenant la charge), pendant un certain temps (négatif vers négatif et positif vers positif), l’énergie électrochimique dans la batterie est restaurée, et la batterie peut être utilisée à nouveau.

Le cycle de décharge d’une batterie dans une charge et de recharge de la batterie peut être répété de nombreuses fois au cours de la durée utile d’une batterie, mais il est important d’utiliser un hydromètre régulièrement pour vérifier la densité spécifique et d’ajouter de l’eau distillée lorsque la batterie est complètement chargée.

Connexion des Batteries à Cycle Profond

Nous savons maintenant que la brique élémentaire d’une batterie plomb-acide est la cellule de 2 volts. Une banque de batteries utilisée dans des systèmes solaires autonomes ou éoliens est une collection de cellules de 2 volts, de batteries de 6 volts ou de batteries de 12 volts qui fournissent de l’énergie à un foyer en cas de panne d’électricité ou de faible production d’énergie renouvelable ou d’un ensemble solaire. Les batteries à cycle profond individuelles sont câblées ensemble en série pour produire des configurations de 12 volts, 24 volts ou 48 volts.

Les batteries à cycle profond peuvent également être connectées ensemble en parallèle pour augmenter la capacité de courant d’une banque de batteries. La banque de batteries fournit de l’énergie DC à un inverseur, qui produit une énergie AC pouvant être utilisée pour faire fonctionner des appareils. La décision de choisir une banque de batteries de 12 volts, 24 volts, 36 volts ou 48 volts sera déterminée par l’entrée de l’inverseur, le type de batterie que vous sélectionnez et la quantité de stockage d’énergie dont vous avez besoin.

Ci-dessous, un exemple de connexion de batteries ensemble de différentes tensions, telles que des batteries de 6 volts et de 12 volts, pour produire une banque de batteries de 24 volts. Un nombre quelconque de batteries peut être connecté ensemble en série pour produire une tension de sortie multiple de la tension de la batterie. Dans notre exemple, cela donne 2 x 12 volts = 24 volts. De même, les batteries connectées ensemble en parallèle augmentent le courant au nombre de branches. Cependant, il est préférable de limiter le nombre de branches connectées à un maximum de trois (3) car les banques de batteries en parallèle ont tendance à circuler des courants non désirés d’une branche à l’autre.

câblage de la Batterie à Cycle Profond

Entretien des Batteries à Cycle Profond

Un dernier commentaire concernant l’entretien des batteries. Les batteries plomb-acide à cycle profond sont la partie la plus dangereuse de tout système énergétique solaire ou éolien. Des gants, une protection oculaire telle que des lunettes et des masques ainsi que des vêtements anciens doivent être portés lors de la manipulation de batteries plomb-acide et d’électrolyte car « l’acide de batterie » provoque des brûlures et des irritations de la peau et des yeux.

De plus, les gaz hydrogène et les fumées émis lors de la charge de ces batteries plomb-acide à cycle profond sont à la fois irritants et potentiellement explosifs donc il est important de ventiler la banque de batteries et la zone environnante en tout temps. Nettoyez toute déversement d’électrolyte sur ou autour des batteries et vérifiez la fermeté des bornes de la batterie et des câbles, en lubrifiant avec de la vaseline si nécessaire. Avec un soin et un entretien appropriés, les batteries plomb-acide à cycle profond auront une longue durée de vie dans tout système photovoltaïque alimenté par l’énergie solaire.